燃气动力大通径补贴装置的设计与试验.pdf

- 3 6 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第3 8 卷第6 期 燃气动力大通径补贴装置的设计与试验’ 王宝兴姚元文袁铁刚李森元王刚合 西安近代化学研究所 陕西西安，7 1 0 0 6 5 [ 摘要]现有套管补贴技术存在通径小的缺陷，燃气动力大通径补贴技术能够解决这一问题。通过设计包含燃 气动力装置、气流转换装置、锚定装置、扩径装置的系统装置来实现补贴目的，补贴后通径可达到原套管内通径的 9 0 ％以上，能够满足现有注采设备通过的要求，地面实验验证了设计合理性。 [ 关键词] 套损井补贴大通径火药扩径 [ 分类号] T E 2 5 6 1 引言 随着油田开发时间不断增加，长期注水、采油、 井下作业施工的影响，使原有的地层失衡，地质活动 加剧。地层滑移、蠕动、套管材质腐蚀等诸多因素， 使得油水井套管质量变差，产生了错断、变形、弯曲、 开孔裂缝等多种形式的套损，严重影响正常采、注作 业，甚至导致油水井报废，给油田造成数百亿元的经 济损失。如大庆油田目前套损井累计已达9 0 0 0 余 口，国内其他油田的套损井也占到采、注生产井的 2 0 ％一5 0 ％以上。这些套损井经常规的油水井大修 后，一部分恢复采、注生产，如小变形井经机械胀管 修复，这部分占到套损井总数的2 0 ％左右，其余严 重错断、大变形、腐蚀减薄类型的套损井大部分采用 密封补贴加固、侧钻、7 0 0m 取套换套技术，其中部 分技术作业成本高达数十万到百万元 修复成本是 补贴加固成本的3 8 倍以上 ，或永久报废。 目前，在油田套损井修复中采用的密封补贴加 固大通径技术有膨胀管技术，该技术利用地面高压 水作动力，使用专用的膨胀管作补贴管，补贴管外表 面采用硫化橡胶作密封材料。该技术在施工中需地 面输送4 0M P a 以上高压动力，要求输送管柱承压能 力高、密封好。该技术专用的膨胀管造价高，橡胶密 封材料承压、密封能力有限，地面高压施工安全问题 突出，且每次的补贴加固费达数十万元，作业周期达 2 ～3d 。 燃气动力大通径补贴装置的研制是满足大部分 套损井的修复，主要是利用火药作动力源井下作功， 保证了施工作业安全。动力源本身是一套完整密封 系统，无需管柱密封，施工简单、作业周期短、成本 低，修复后的通径大，可满足采油和注水生产工艺及 配套设施正常作业，为下一步油水井的正常维护提 供了方便。 2 结构设计 燃气动力大通径补贴装置由点火器1 、燃气室 2 、主装药3 、活塞4 、活塞缸5 、座封筒6 、气流转换装 置7 、中心杆8 、补贴管9 、扩径器1 0 、气流分配器1 1 、 套管1 2 组成。具体见图1 。 图1 装置示意图 点火器发火，点燃燃气室内主装药，主装药燃烧 产生的高压气体由活塞的中心通道传到活塞下端， 推动活塞带动中心杆、扩径器和气流分配器反向运 动，运动一定的行程后，形成扩径运动腔，同时完成 了补贴管下端密封系统和套管的锚定与密封。此 时，气体转换装置运动至活塞缸下端面，气体转换装 置的导气孔与活塞缸高压气体连通，高压气体经中 心杆内孔道及气流分配器流到扩径运动腔，火药燃 气不断补充，推动扩径器沿中心杆轴向运动，当扩径 器行至补贴管上端的密封段即完成了补贴管上端密 封系统和套管的锚定与密封，多余气体在补贴管上 端口泄压，补贴加固完成。起出输送管柱和补贴装 置，即可恢复该井的采、注生产。 2 ．1 燃气动力装置 燃气动力装置由点火系统、主装药、燃气室、活 塞、活塞缸组成，其目的是完成化学能到机械能转换 及与气流转换装置组合。 点火系统点火输出适宜的点火能量可靠点燃主 装药，主装药在燃气室稳定燃烧产生高压气体，活塞 收稿日期2 0 0 9 - 0 9 - 0 2 作者简介王宝兴 1 9 6 1 一 ，男，研究员，主要从事民爆器材产品研究。E m a i l w a n g h a o x i n g r a n b a o y a h o o ．t o m ．c n 万方数据 2 0 0 9 年1 2 月燃气动力大通径补贴装置的设计与试验王宝兴等 3 7 与活塞缸组合成为单向运动结构，活塞设有中心孔 道输送高压气体，气体到达活塞与活塞缸结合端产 生推力，推动活塞运动，带动中心杆与扩径器、气流 分配器运行一定距离后扩径运动腔形成，也同时完 成了补贴管下端与套管内壁间的锚定与密封。 2 ．2 气流转换装置 气流转换装置主要完成气流转换。当燃气动力 装置第一作功完成的同时气流转换装置的气流转换 孔道与高压气体连通，开始第二次作功。 2 ．3 中心杆及气流分配器 中心杆和活塞连接，拉动气流分配器和扩径器 向上运动，中心杆设有中心孔道输送气体至气流分 配器，同时控制扩径器在扩径过程中的运动轨迹；气 流分配器则将中心杆输送的气体经分配器均匀分布 至扩径运动腔推动扩径器扩径。 2 ．4 补贴管 补贴管材料必须具有较高变形能力，被扩径后 的力学性能达到一般套管的技术要求，选定材料的 扩径力可采用文献[ 1 ] 提供的计算公式试计算，经 过静压扩径试验测定实际扩径力，见表1 。其中试 验件数为3 。 表1 补贴管静压扩径试验 静压扩径试验表明，材料l 具有高的塑性，但强 度低，不能应用在较高压力的场合。材料2 在试验 中产生裂纹，材料的性能虽与套管材料K 5 5 相近， 试验件开裂的机率占3 3 ．3 ％。材料4 具有良好的 塑性、延伸率和抗腐蚀能力，但强度低，适合在高腐 蚀、低压场合下应用。膨胀管在油田应用中出现膨 胀补贴后管内缩颈的现象。缩颈原因有待进一步探 讨。材料3 具有较好的塑性和延展性，又有较好的 抗腐蚀能力，机械强度高于一般套管的性能，如 K 5 5 、L 8 0 等。材料3 能够满足应用要求。 2 ．5 扩径器 扩径器主要是完成补贴管的扩径，扩径器要求 较高的表面硬度和光洁度。完成扩径后无磨损，补 贴管内表面无划伤。 2 ．6 装置安全校核 燃气室及活塞缸的承内压强度可由公式 1 计 算‘2 1 O “ s 孚乌 1 2 i t 孑 L1 ’ 式中盯，屈服强度，M P a ； p 压力，M P a ； b 厚壁管外径。m m ； 口厚壁管内径。m i l l 。 动力装置内主装药的峰值压力按式 2 计算。 p 一 f a ／ 1 一以 2 式中p 一火药燃烧峰值压力，P a ； 厂火药力，k J ／k g ； △火药装填密度，k g ／m 3 ； a 火药余容，1 1 1 ．3 ／k g 。 装置安全校核计算结果见表2 所示。 表2 装置安全校核结果 计算结果表明装置安全系数为1 ．7 0 ，能够满足 安全要求。 3 装药设计 燃气动力大通径装置要实现补贴段的完全扩 径，主装药燃烧必须稳定，燃速低，产气量大。主装 药采用端面燃烧技术，主装药的外表面包覆并进行 隔热处理，一端点火，使得主装药等面稳定燃烧。 3 ．1 配方设计 通过配方设计与筛选，确定了A 、B 两种主装药 配方。对配方A 、配方B 进行了燃速值[ 3 、4 】、火药 力、余容及装填密度的测定，结果见表3 、表4 。 表3 主装药在不同压力下的燃速值 c m 8 1 表4 主装药的火药力、余容及装填密度 表3 表明，配方A 与配方B 燃速都非常缓慢， 符合配方设计要求。选用燃速较低的装药，是补贴 扩径作用原理所要求的，由于补贴是利用金属扩径 万方数据 ．3 8 ． 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第3 8 卷第6 期 变形来实现的，机械过程反应时间远远大于装药燃 烧时间，必须要求装药燃烧平稳、缓慢。 装药量根据扩径长度确定，扩径长度越长所需 装药量越多。 装置内扩径压力由式 3 确定 P 扩 F 扩／S 3 式中p 扩扩径时动力装置内燃气压力； 凡一试验扩径力，根据表1 ，试验扩径力 ，扩为3 4 8 ．4k N ； S 扩径器面积，经计算扩径器面积为 8 0 9 6n l ／n 2 。 经计算扩径压力P 扩为4 3 ．0M P a 。 扩径结束时火药装填密度可由式 2 计算，装 药量可由式 4 确定 m △V 4 式中m 装药量； 厶扩径结束时火药装填密度；由式 2 计算厶为0 ．0 8 4 9 1 0 6k g ／m 3 ； y 扩径总容积。 不同扩径长度所需装药量计算结果见表5 。 表5 扩径所需装药量计算 5 结论 1 燃气动力大通径补贴装置以火药作动力源 推动补贴装置作功，能够完成补贴管和套管的锚定 和密封。 图2 补贴管和套管贴合段截面 图3 密封系统和套管贴合段截面 4 地面试验 地面试验装置见图l 所示，地面试验结果见表 6 。试验所用扩径器外径l1 4n l m 。 试验结果表明，设计的燃气动力大通径补贴装 置在地面试验中完全达到补贴管全段扩径的目的， 补后内径可达1 1 4m r f l 。扩径后的补贴管与套管为 静配合，密封系统与套管为过盈配合。试验情况如 ． 图2 。图5 所示。 图4 补贴管和套管局部图 表6 地面试 验 万方数据 2 0 0 9 年1 2 月 爆破器材 2 0 0 9 年总目录 3 9 爆破器材 2 0 0 9 年总目录 题 目刊期页数题 目刊期页数 ★基础理论与分析测试 在动载作用下衬砌洞室抗爆加固效果数值分析 65 机械制粉工艺粉状乳化炸药防结块研究 l1 基于有限元分析的泵送过程螺杆泵受热研究 69 竺细苎苎譬孽竺竺竺苎 銮．。，一⋯一。1 5 ★工业炸药 基于粗糙集的影响爆破振动特征参量因素的敏，1 ’。 感性分析 ‘‘ 工业炸药自动包装线的安全性探讨 l8 乳胶基质流动模型及其温度和速度的分布研究 25 膨化硝铵炸药粉尘爆炸性的初步实验研究 2 1 1 基于模糊理论的爆破器材质量综合评判 28 专用油相对乳化炸药生产过程的影响 21 3 粉状乳化炸药热分解动力学研究 31 一种新型高威力乳化炸药的研究 21 6 V 形刻槽爆破机理动态数值模拟分析4 1 快速和安全销爆处理铵梯炸药生产线探讨 21 9 乳化炸药热分解特性研究4 6 乳化炸药生产线智能故障诊断系统的研究 34 A 1 ／S i 0 2 复合粒子制备及其催化性能研究 48 工业炸药现场混装系统的新进展 38 改性磷脂复合乳化剂对乳化炸药稳定性的影响≮1关于提高改性铵油炸药深孔爆破效果的研究探31 2 研究 。1 讨 ⋯ 温压弹在有限空间内爆炸的超压测试和分析 54 直接使用硝酸铵溶液生产膨化硝酸铵炸药研究 31 5 爆轰波斜入射金属材料的模拟计算 61 液混式膨化硝铵炸药生产安全性研究 41 2 使高压气流及时转换和分配，确保第二次作功动力 需要，同时保证了装置系统工作压力在安全范围内 变化。 4 密封系统采用软金属结构，提高了补贴管 锚定和密封能力。 参考文献 图5 试件全图 2 补贴管全段扩径，a 1 3 9 ．7 m m 7 ．7 2 m m 套 管补后内径可达a1 1 4m m ，是原套管内径的 9 1 ．7 ％。 3 燃气室、活塞缸的承内压能力可满足装置 实施全段扩径需要，气流转换装置、气流分配器设计 [ 1 ] 胡念军，林大为．圆管扩径力的解析[ J ] ．锻压技术， 2 0 0 6 ， 2 3 2 3 5 ． [ 2 ] 成大先．机械设计手册[ M ] ．北京化学工业出版社， 2 0 0 4 ．1 ． [ 3 ] 鱼溶．燃气动力补贴装置作用机理研究[ D ] ．北京北 京理工大学，2 0 0 4 ． [ 4 ] 王泽山，何卫东，徐复铭，等．火药装药设计原理[ M ] ． 北京兵器工业出版社，1 9 9 5 ．6 ． D e s i g na n dT e s to fP r o p e l l a n tP o w e r e dB i gP a s s a g eP a t c h i n gD e v i c e W A N GB a o x i n g ，Y A OY 咖w e n ，Y U A NT i e g a n g ，L IS e n y u a n ，W A N GG a n g h e X i ’8 , 1 1M o d e mC h e m i s t r yR e s e a r c hI n s t i t u t e S 姗X i ’船，7 1 0 0 6 5 [ A B S T R A C T ] T h ef i n i s h e dp a s s a g eo fe x i s t i n gc a s i n gp a t c h i n gt e c h n o l o g yi sa l Id e f i c i e n t ，a n dt h ep r o p e l l a n tp o w e r e d b i gp a s s a g ep a t c h i n gd e v i c ec a ns o l v et h ep r o b l e m ．T h ed e s i g n e ds y s t e md e v i c ei n c l u d i n gp r o p e l l a n tp o w e r e da s s e m b l y ，g a s d i v e r s i o na s s e m b l y 。a n c h o r - h o l da s s e m b l y ，r a d i a l e x p a n d i n ga s s e m b l ye t c ．a c h i e v e st h ep a t c h i n ga i m ．T h ef i n i s h e dp a s s a g e a f t e rp a t c h i n gi su p w a r d so f9 0 ％o ft h eo r i g i n a lc a s i n g ．T h er a t i o n a l i t yo ft h i sd e v i c eW a sa p p r o v e db yt h et e s t s ． [ K E YW O R D S ] d a m a g e dc a s i n g ，p a t c h i n g ，b i g p a s s a g e ，p r o p e l l a n t ，r a d i a l e x p a n d i n g 万方数据